VirtualFlow | LNG運(yùn)輸船液艙晃蕩及安全仿真

泡沫oO

2023年6月19日 16:48

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從上世紀(jì)60年代開始，隨著液化天然氣的逐步使用及天然氣進(jìn)出口貿(mào)易的發(fā)展，LNG運(yùn)輸船應(yīng)運(yùn)而生。海上運(yùn)輸?shù)男枨蟠龠M(jìn)了LNG運(yùn)輸船安全問題的深入探討，尤其是在20世紀(jì)60-70年代發(fā)生了幾起重大事故后。

LNG運(yùn)輸船液艙晃蕩

LNG運(yùn)輸船液艙晃蕩問題是影響其運(yùn)載裝備安全性的一個重要因素。液艙晃蕩具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和流動性，產(chǎn)生的沖擊載荷對艙壁具有相當(dāng)大的破環(huán)作用，輕則艙壁結(jié)構(gòu)變形，重則使艙壁發(fā)生破損。

VirtualFlow | LNG運(yùn)輸船液艙晃蕩及安全仿真的圖1

圖1 LNG船及液貨艙內(nèi)部

液艙晃蕩常用的數(shù)值方法包括：基于歐拉法的VOF法和Level Set法、基于拉格朗日方法的無網(wǎng)格法SPH與MPS，以及歐拉-拉格朗日相結(jié)合的ALE方法。

其中，VOF方法處理流動界面時依賴網(wǎng)格的細(xì)化程度，對復(fù)雜尖銳界面的模擬效果并不理想，但計(jì)算過程中滿足質(zhì)量守恒；Level Set方法處理復(fù)雜界面的能力強(qiáng)，其自由表面的追蹤精度遠(yuǎn)高于VOF方法，但每一個時間步都要重新初始化LS函數(shù)，這會導(dǎo)致質(zhì)量不守恒。

通用計(jì)算流體仿真軟件VirtualFlow在算法上對Level Set方法進(jìn)行優(yōu)化，通過質(zhì)量重新初始化方法對質(zhì)量守恒進(jìn)行修正，在捕捉液艙晃蕩具有明顯自由表面的界面流方面，具有獨(dú)特優(yōu)勢。

選取馬德里理工大學(xué)所做的SPHERIC晃蕩標(biāo)模實(shí)驗(yàn)（如圖2，可參閱文末參考文獻(xiàn)），與VirtualFlow軟件液艙晃蕩仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

圖2 晃蕩標(biāo)模實(shí)驗(yàn)（A. Souto-Iglesias , 2011）

在該實(shí)驗(yàn)中，密閉矩形實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)裝有染色液體，以底部中心點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸左右搖擺，其轉(zhuǎn)動的角速度為正弦曲線。

容器整體環(huán)境溫度為19℃，氣相保持為一個大氣壓；

液艙長900 mm，高508 mm。液位高度為液艙高度的0.18，即93 mm，雷諾數(shù)為Re = 97546；

初始時刻，液艙處于水平靜止?fàn)顟B(tài)，晃蕩過程液艙繞底部中心做正弦搖擺，振幅為4°，振蕩周期T = 1.6295s。

液艙繞原點(diǎn)做正弦擺動，晃蕩過程中會出現(xiàn)自由面翻卷、破碎和融合，為有效捕捉界面流動現(xiàn)象，采用VirtualFlow軟件IST/BMR網(wǎng)格技術(shù)將自由面可能到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，如圖3所示。液面變化采用Level Set方法來捕捉。

圖3 VirtualFlow液艙運(yùn)動及網(wǎng)格細(xì)化效果

針對液艙運(yùn)動，VirtualFlow軟件獨(dú)特的浸入表面網(wǎng)格技術(shù)（IST）可將幾何表面嵌入到笛卡爾網(wǎng)格中，同時，幾何模型的運(yùn)動可通過在靜止的計(jì)算域網(wǎng)格內(nèi)定義浸入幾何的運(yùn)動軌跡來實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)格不需隨固體幾何運(yùn)動，因此不需要使用動網(wǎng)格即可定義液艙的運(yùn)動軌跡。

在求解時，固體的外邊界由符號距離函數(shù)Ф = 0來表示，Ф < 0為流場，Ф > 0為固體內(nèi)部，固體擁有自己的熱物理性質(zhì)。當(dāng)固體與液體耦合運(yùn)動時，隨著固體的移動，距離函數(shù)也會不斷的修正。

將VirtualFlow液艙晃蕩計(jì)算結(jié)果與晃蕩標(biāo)模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，如圖4，液艙從靜止開始晃蕩，液艙內(nèi)液體會隨著液艙一起晃蕩，此時液體運(yùn)動強(qiáng)非線性現(xiàn)象特別突出。

圖4 液艙晃蕩計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比

VirtualFlow計(jì)算得到的液面變形與實(shí)驗(yàn)觀察到的液面變形非常相近，圖6給出了不同時刻液面的典型形狀對比圖。

t=1.154s

t=2.885s

t=3.385s

t=3.884s

t=4.269s

圖5 不同時刻實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果波形對比

液艙在左右晃蕩時，速度、壓強(qiáng)等各個物理量都會出現(xiàn)周期性的變化，圖6為液艙底部中點(diǎn)處液體的橫向速度（黑色曲線）和縱向速度（紅色曲線）隨時間的變化，可以看到在該點(diǎn)處，橫向速度遠(yuǎn)大于縱向速度，且橫向速度的晃蕩周期幾乎是縱向速度的一半。

圖6 液艙底部中點(diǎn)處的橫向/縱向速度隨時間的變化

LNG運(yùn)輸船安全加熱仿真

液化天然氣溫度極低，沸點(diǎn)是-162℃，LNG運(yùn)輸船要長時間維持-163℃的低溫。船上的金屬管道和連接件容易被低溫?fù)p傷，導(dǎo)致天然氣泄漏或蒸發(fā)。液化天然氣易揮發(fā)、易燃易爆，少量泄漏時會很快擴(kuò)散到大氣中，不會有爆炸危險。但大量泄露時會與空氣混合形成可燃性氣云，濃度達(dá)到5-15%，遇點(diǎn)火源（最小點(diǎn)火能量為0.28mJ）就會發(fā)生閃火和蒸汽云爆炸等可怕事故。

基于VirtualFlow軟件，針對法國GTT公司薄膜型液貨艙，采用多尺度模擬方法計(jì)算模擬發(fā)生泄漏事故時隔熱層在不同加熱場景下的響應(yīng)，進(jìn)而研究并建立事故工況下的安全蒸發(fā)程序。

多尺度模擬方法采用三維CFD詳細(xì)研究了低溫液體通過窄縫和隔熱層多孔介質(zhì)時的壓力損失，將其作為隔熱層整體蒸發(fā)傳熱二維分析的邊界條件，從而計(jì)算得到不同加熱條件時的艙內(nèi)氣液分布、蒸發(fā)率等流動熱特性，最終指導(dǎo)建立了0維的事故工況安全蒸發(fā)程序。

VirtualFlow | LNG運(yùn)輸船液艙晃蕩及安全仿真的圖12

VirtualFlow | LNG運(yùn)輸船液艙晃蕩及安全仿真的圖13

低溫介質(zhì)通過窄縫及多孔介質(zhì)的壓降

采用VirtualFlow軟件進(jìn)行液艙晃蕩計(jì)算，液艙運(yùn)動及流體晃蕩更加接近真實(shí)物理現(xiàn)象，Level Set方法可以有效捕捉自由液面的波形。此外，基于VirtualFlow軟件，可進(jìn)行氣體蒸發(fā)建模和模擬，計(jì)算泄漏事故時隔熱層在不同加熱場景下的響應(yīng)，進(jìn)而研究并建立事故工況下的安全蒸發(fā)程序，有助于具有LNG運(yùn)輸船安全及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

【參考文獻(xiàn)】

SOUTO-IGLESIAS A，BOTIA-VEＲA E，MAＲTIN A，et al． ASet of Canonical Problems in Sloshing．Part 0: Experimental Setup andData Processing［J］．Ocean Engineering，2011，38( 16) : 1823-1830